[發(fā)明專利]一種聚合反應(yīng)動力學(xué)過程蒙特卡羅模擬的并行計算方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410502866.2
• 申請日: 2014-09-26
• 公開（公告）號: CN104268120B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳鵬;邵靜;潘恒;夏茹;錢家盛;苗繼斌;楊斌;曹明
• 申請（專利權(quán)）人: 安徽大學(xué)
• 主分類號: G06F15/16
• 分類號: G06F15/16;G06F9/38
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11385
• 代理人: 董芙蓉

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種聚合反應(yīng)動力學(xué)蒙托卡羅模擬的并行計算方法。

背景技術(shù)

研究聚合反應(yīng)動力學(xué)過程對分析聚合物組成、提高聚合反應(yīng)效率和設(shè)計化工生產(chǎn)工藝路線具有重要的理論和實踐意義。通過實驗研究聚合反應(yīng)動力學(xué)過程，受操作條件、檢測技術(shù)和采樣間隔等因素的影響難以實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測和準(zhǔn)確解析，計算機模擬技術(shù)可以瞬時監(jiān)測反應(yīng)體系的全部信息，是研究聚合反應(yīng)動力學(xué)過程的有效方法。

聚合反應(yīng)動力學(xué)過程的計算機模擬研究已經(jīng)被人們應(yīng)用于實踐中。研究者建立了利用連續(xù)求解偏微分方程(Macromol.React.Eng.2008，2，461-494)和動態(tài)蒙托卡羅(Macromolecules?2012，45，8519-8531)等方法研究聚合反應(yīng)動力學(xué)過程。上述模擬研究方法不考慮聚合反應(yīng)體系的分子運動，無法反映聚合體系濃度效應(yīng)等影響因素。

丁建東等基于蒙托卡羅格子模型模擬研究了連鎖聚合反應(yīng)和縮聚反應(yīng)(中國科學(xué)?B輯?化學(xué)2005，35(1)：27-32)，Jan?Genzer等使用相近的模型模擬研究了活性聚合反應(yīng)過程(Macromolecules?2006，39，7157-7169)。此類模型基于蒙托卡羅分子模擬方法，充分考慮了聚合反應(yīng)體系中運動單元的體積排斥效應(yīng)和分子運動形成的濃度漲落，能夠瞬時統(tǒng)計全部體系信息。然而，受計算能力的限制，分子模擬體系尺寸和數(shù)量規(guī)模與真實反應(yīng)體系的規(guī)模差距過大，模擬結(jié)果難以反映真實聚合反應(yīng)狀態(tài)。

為了擴大分子模擬體系的抽樣規(guī)模，本發(fā)明提出以并行運算機制克服聚合反應(yīng)模擬體系的規(guī)模限制，使聚合反應(yīng)動力學(xué)的計算機模擬結(jié)果與真實實驗體系更加接近。同時，以簡單體系實驗數(shù)據(jù)矯正模擬體系參數(shù)設(shè)置，最終實現(xiàn)模擬結(jié)果對復(fù)雜體系實驗現(xiàn)象的解釋和預(yù)測。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提出一種新的聚合反應(yīng)蒙托卡羅模擬算法，擴大模擬體系的抽樣規(guī)模，使模擬結(jié)果與實驗結(jié)果更加接近。

本發(fā)明提出的蒙托卡羅算法是基于不同初始狀態(tài)的多體系并行運算機制，聚合反應(yīng)的全局信息基于各子體系的信息和狀態(tài)平均。該方法的優(yōu)點在于：并行方法簡單不需要考慮邊界條件和算法變化；大規(guī)模的模擬運算分解到多個CPU上進(jìn)行并自動進(jìn)行模擬信息統(tǒng)計平均，無需人工干預(yù)即可得到模擬體系全局信息；通過多種初始狀態(tài)，避免模擬體系的隨機性和局域性，使模擬結(jié)果更加接近聚合反應(yīng)動力學(xué)過程的真實狀態(tài)。

本發(fā)明提出的一種聚合反應(yīng)動力學(xué)蒙托卡羅模擬的并行計算方法，包括如下步驟：

(1)確定待模擬的聚合體系所有可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和聚合反應(yīng)工藝過程，根據(jù)模擬體系的濃度，設(shè)置模擬盒子的尺寸和反應(yīng)單元(引發(fā)劑和單體粒子)的數(shù)目。以無鏈轉(zhuǎn)移反應(yīng)的自由基溶液聚合反應(yīng)體系為例，聚合反應(yīng)包括引發(fā)、聚合和鏈終止等三類基元反應(yīng)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗設(shè)置各種基元反應(yīng)的發(fā)生概率分別為Pi(引發(fā))，Pa(聚合)，Pt(終止)，等。使用指針數(shù)組記錄所有粒子的屬性(引發(fā)劑或單體)和體系空間位置的信息，預(yù)設(shè)指針數(shù)組記錄體系將聚合生成的分子鏈數(shù)目、每條分子鏈長度及每條鏈上各鏈節(jié)單元的位置與排序。

(2)根據(jù)并行運算的CPU數(shù)目將模擬體系劃分為多個子體系，在每個子體系中分配等比例的引發(fā)劑和單體粒子，并將模擬反應(yīng)參數(shù)傳送至各子體系。

(3)各子體系同時進(jìn)行蒙托卡羅模擬運算，步驟如下：

(a)隨機運動產(chǎn)生不同初始反應(yīng)狀態(tài)：隨機選擇一個運動單元和方向，判斷在預(yù)定距離內(nèi)的運動方向上是否有空格，如果有空格，則進(jìn)行蒙托卡羅運動；否則重新選擇運動單元和方向。每個子體系通過一系列不同的隨機數(shù)進(jìn)行運動選擇，從而產(chǎn)生不同的運動單元分布狀態(tài)，然后體系進(jìn)入運動和反應(yīng)共存的聚合反應(yīng)模擬狀態(tài)。

(b)聚合反應(yīng)模擬：與(a)中所述運動狀態(tài)相同，通過隨機選擇一個運動單元和運動方向，判斷運動方向和距離上是否有空格和粗?；捏w系粒子，如果有空格，則進(jìn)行蒙托卡羅運動；如果為粗粒化的體系粒子則進(jìn)行如(c)所述的聚合反應(yīng)判斷。

(c)聚合反應(yīng)判斷步驟為：如果隨機選擇到的兩個相鄰體系粒子一個為鏈末端自由基另一個為單體，則以反應(yīng)概率Pa判斷是否可以發(fā)生聚合反應(yīng)；如果兩個相鄰粒子一個為引發(fā)劑另一個為單體，則先以引發(fā)概率Pi判斷是否為裂解的引發(fā)劑，如通過判斷則以反應(yīng)概率Pa判斷是否可以發(fā)生聚合反應(yīng)；如果兩個相鄰的粒子均為鏈末端自由基，則以終止概率Pt判斷是否可以發(fā)生終止反應(yīng)。如果相鄰的兩個粒子中有一個為無反應(yīng)活性的粒子(分子鏈中的鏈節(jié)單元，發(fā)生終止反應(yīng)的鏈端)則退出判斷，重新進(jìn)行(b)中所述運動。